發(fā)布時間：2020-07-13 17:06

【摘要】：足量、均勻的螺栓載荷是實現(xiàn)法蘭螺栓接頭有效密封的關(guān)鍵�，F(xiàn)有的工業(yè)中應用的閘閥中法蘭螺栓的研究還無法完全理解其結(jié)構(gòu)在常溫預緊后長期高溫作用下的螺栓載荷不足、墊片失效、法蘭偏轉(zhuǎn)過大等密封泄漏問題。針對此類問題,搭建了相應的實驗裝置,實驗研究了常溫預緊及升壓升溫過程螺栓載荷變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上結(jié)合有限元方法對不同壓力的作用效果及熱緊操作對原有密封性能影響進行了分析。探討了長時間作用下接頭各組件的力學行為變化,并建立了預測系統(tǒng)。本文的主要工作如下:(1)建立了某企業(yè)4Z6AA22P(S)型閘閥十螺栓法蘭接頭常溫預緊實驗裝置,對比分析了ASME PCC-1-2013及JIS B 2251標準規(guī)定的螺栓加載方式下的螺栓載荷分布,實驗結(jié)果表明,ASME PCC-1-2013及JIS B 2251預緊標準均能獲得接近預期目標載荷70%左右的平均載荷。JIS B 2251螺栓預緊標準獲得載荷的足量度與均勻度更好,加載時螺栓不需編號,但加載過程費力。基于彈性交互作用機理,提出了四參數(shù)法優(yōu)化加載方式,實驗結(jié)果表明,四參數(shù)法可以有效減弱加載過程中的彈性交互作用,以較少的輪次獲得足量度與均勻度極佳的接近目標載荷的實際螺栓載荷,但計算過程較為復雜,需預先確定。(2)建立了高溫閘閥螺栓載荷變化測量裝置,采用全模型外部加熱方式,實驗研究了一次及二次升降溫過程螺栓載荷變化規(guī)律。結(jié)果表明,溫度升高至723K時,相較于初始預緊狀態(tài),螺栓平均載荷下降幅度超過40%。受墊片壓縮回彈性能、各組件材料熱膨脹系數(shù)影響,螺栓載荷在升降溫過程會出現(xiàn)降增、升減等交替回彈現(xiàn)象。引入壓力源,繼而分析了壓力對溫度場中螺栓的作用效果。結(jié)果指出,內(nèi)部沖壓引起的閥體端部拉應力降低了法蘭受熱熱應力產(chǎn)生的變形偏轉(zhuǎn)影響,壓力的介入對螺栓載荷的下降有抑制作用。但研究同時表明,此閘閥結(jié)構(gòu)3 MPa壓力723 K溫度工況升壓升溫過程中,溫度仍是對螺栓載荷的變化起主導作用。(3)基于閘閥物理幾何結(jié)構(gòu)及傳熱學理論,建立了高溫閘閥熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型。模擬研究了0~4 MPa及288~873 K工況下螺栓載荷、墊片應力及法蘭偏轉(zhuǎn)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,螺栓載荷隨溫度變化的趨勢受壓力大小影響,不同壓力下具有明顯的螺栓載荷快速下降溫度轉(zhuǎn)變點。墊片性能同步于變形協(xié)調(diào)反應,墊片應力延環(huán)向自內(nèi)至外逐漸增大,最小墊片應力在極限狀態(tài)均能滿足密封需要。法蘭最大偏轉(zhuǎn)情況在升溫過程中由中法蘭上側(cè)轉(zhuǎn)移到下側(cè),隨后不斷增大。(4)基于螺栓載荷的升溫下降現(xiàn)象,進行了673 K溫度下各個螺栓的熱緊操作模擬分析。對比研究了不同熱緊載荷及加載方式下螺栓載荷足量度與均勻性改變情況。結(jié)果表明,相同預緊載荷下,交叉加載相較于順次加載,二者的足量度較為接近,但交叉加載造成的載荷不均勻程度呈數(shù)倍增加。預緊載荷在由0.8F_0增加至1.2F_0過程中,載荷足量度有所增加但不明顯,研究指出,一輪熱緊中,采用接近目標載荷的熱緊力及順次加載方式能得到更好的密封效果。(5)以熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元模型為基礎(chǔ),模擬建立了長時間運行過程閘閥法蘭接頭密封性能預測系統(tǒng)。具體分析了10000 h運行時間、2 MPa工作壓力及823 K工作溫度下各組件的蠕變變化規(guī)律。結(jié)果表明,螺栓載荷在運行初期前2000 h內(nèi)呈指數(shù)狀下降,此時發(fā)生泄漏主要由載荷下降過度導致墊片應力過低引起。在后續(xù)長時間運行過程中,墊片會出現(xiàn)多處愈加明顯的集中應力區(qū)域。而閥體本身會由于熱應力影響發(fā)生應力重整現(xiàn)象,因此,在設(shè)計、運行階段,分別要對閥體本身材料及螺栓墊片性能進行額外關(guān)注。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH131.3

【參考文獻】

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本文編號：2753738